高校虛實(shí)結(jié)合的工程認(rèn)知教育平臺建設(shè)與實(shí)踐

馬傲玲 彭曉雷 張猛持 陳云 劉翼民

[摘? ? ? ? ? ?要]? 隨著“大工程觀”和“新工科”的提出，高校工程認(rèn)知平臺的建設(shè)為學(xué)生提供了一個(gè)工程文化普及和工程教育的平臺，對培養(yǎng)具有實(shí)踐型、創(chuàng)新型、綜合型人才及促進(jìn)學(xué)科交叉融合教育具有積極的推動作用。以廈門理工學(xué)院的工程認(rèn)知平臺為例，在建設(shè)內(nèi)容上對實(shí)體和虛擬平臺中的工程與工程意識館、機(jī)械工程館、光電工程館、材料工程館、車輛工程館等18個(gè)模塊進(jìn)行介紹，從開放實(shí)踐、經(jīng)費(fèi)保障、展品來源、教育模式和管理機(jī)制5個(gè)方面進(jìn)行運(yùn)行模式的介紹和虛實(shí)結(jié)合的工程認(rèn)知教育探索，總結(jié)該教育平臺的建成對工程教學(xué)及對學(xué)校工程文化建設(shè)的成效，最后，對虛實(shí)結(jié)合的教育平臺建設(shè)及推廣、加強(qiáng)工程認(rèn)知教育方面提出建議。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 虛實(shí)結(jié)合;工程文化;工程認(rèn)知;虛擬仿真;建設(shè);實(shí)踐;教育探索

[中圖分類號]? G647? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）44-0098-03

隨著“德國工業(yè)4.0”與“中國制造2025”的相繼提出，當(dāng)前世界范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速進(jìn)行，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，高等工程教育也掀起了新一輪改革[1-2]。大多學(xué)者認(rèn)為“大工程觀”教育培養(yǎng)的現(xiàn)代工程師應(yīng)該具有工程實(shí)踐能力、多學(xué)科綜合知識背景及多方面能力、職業(yè)道德及社會責(zé)任感[3-4]。隨著2017年“新工科”概念的提出，高等工程教育步入新階段，新工科必須以學(xué)生為本，其核心是學(xué)科交叉[5]。新工科人才的培養(yǎng)是“科學(xué)+人文+工程+其他”，依托大類通識教育，培養(yǎng)復(fù)合型、綜合性的人才[6-7]。2018年5月5日在北京召開的“2018全國高校新工科工程認(rèn)知教育資源建設(shè)與產(chǎn)學(xué)合作論壇”，決定成立“工程與科學(xué)認(rèn)知教育工作組”和“應(yīng)用型高校工程認(rèn)知教學(xué)工作組”，推動工程教育的改革與發(fā)展。論壇中專家認(rèn)為高等工程教育的起點(diǎn)是在大學(xué)一年級，這個(gè)階段是啟發(fā)“工程思維”與“創(chuàng)新思維”的重要時(shí)期，有利于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣和自學(xué)能力，建立終身學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)合作的意識，為未來發(fā)展打下更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[8]。

一、虛實(shí)結(jié)合工程認(rèn)知教學(xué)平臺建設(shè)的意義

工程不等同于技術(shù)（或科技），工程需要將技術(shù)和科技運(yùn)用到社會實(shí)踐中，它是實(shí)踐后的產(chǎn)物，不可避免地與人、社會、環(huán)境等產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，是科學(xué)技術(shù)、藝術(shù)、經(jīng)管理論等有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。工程認(rèn)知不是一門課就可以完成的，應(yīng)該通過動手嘗試，建立起模糊的經(jīng)驗(yàn)圖景，在未來幾年的大學(xué)生活中逐步建立工程與技術(shù)、工程與社會、工程師的使命與文化等各種各樣的認(rèn)知，逐步在學(xué)習(xí)實(shí)踐中加深認(rèn)識。廈門理工學(xué)院建立的工程認(rèn)知教育平臺與這些理念不謀而合。

廈門理工學(xué)院定位為應(yīng)用型本科高校，致力于應(yīng)用型、創(chuàng)新性人才培養(yǎng)，學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力至關(guān)重要。廈門理工學(xué)院自2012年開始實(shí)行全員工訓(xùn)，在校理、工、文、藝、經(jīng)管類學(xué)生均需參加工程訓(xùn)練，提高綜合素質(zhì)和實(shí)踐動手能力?，F(xiàn)代工程訓(xùn)練中心作為校內(nèi)最大的實(shí)踐教育基地，承擔(dān)全校的工程訓(xùn)練教學(xué)任務(wù)及部分教師的科研加工任務(wù)。工程知識與文化的學(xué)習(xí)能幫助學(xué)生對所接受的實(shí)操項(xiàng)目及相應(yīng)的學(xué)科及工程有一定的了解，提高認(rèn)知水平并引導(dǎo)其深入思考。學(xué)校從培養(yǎng)工程科技人才的目標(biāo)出發(fā)，結(jié)合學(xué)校實(shí)際，率先在省內(nèi)高校建成首個(gè)工程認(rèn)知與工程文化館。工程認(rèn)知與工程文化館是在學(xué)科支撐的基礎(chǔ)上建設(shè)而成的，各展區(qū)是學(xué)校相關(guān)專業(yè)學(xué)科建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容和科研成果的陳列廳，是學(xué)校工程文化的縮影，集中體現(xiàn)出校園文化，師生置身其中會不自覺地被這種濃郁的氛圍所感染，在潛移默化中受到教育。

二、虛實(shí)結(jié)合工程認(rèn)知平臺建設(shè)的實(shí)踐

（一）建設(shè)內(nèi)容

廈門理工學(xué)院綜合考慮工程訓(xùn)練的實(shí)際及虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代工程教育教學(xué)中的優(yōu)勢建設(shè)了工程認(rèn)知平臺，平臺由實(shí)體展館和虛擬展館組成，實(shí)體展館包含主展館和延伸區(qū)，實(shí)體展館自2013年開始籌建，自2017年9月正式對外開放;虛擬展館自2018年開始籌建，2020年實(shí)現(xiàn)對外開放。

實(shí)體展館分主展館和延伸區(qū)，總面積約1200平方米，主場館主要用于工程文化和工程科技認(rèn)知，延伸區(qū)則用于實(shí)操體驗(yàn)。實(shí)體主展館包含工程與工程意識展區(qū)、機(jī)械工程展區(qū)、光電工程展區(qū)、材料工程展區(qū)、車輛工程展區(qū)、軌道交通沙盤共6部分，主要以圖片、文字、視頻資料、模型等進(jìn)行內(nèi)容展出。延伸區(qū)包含3D打印體驗(yàn)區(qū)、激光雕刻與切割體驗(yàn)區(qū)、柔性制造體驗(yàn)區(qū)、工業(yè)機(jī)器人體驗(yàn)區(qū)、VR體驗(yàn)區(qū)共5個(gè)模塊，主要用于學(xué)習(xí)者進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)操體驗(yàn)。

虛擬平臺在主體展館的基礎(chǔ)上增加了建筑工程館和航天館，共7個(gè)模塊。虛擬平臺采用虛擬現(xiàn)實(shí)智能動畫技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)操作，能夠智能判斷用戶在3D場景中的任何操作，并做出實(shí)時(shí)的智能反應(yīng)，在實(shí)體展館的基礎(chǔ)上有多處創(chuàng)新如下：（1）運(yùn)用現(xiàn)代科技通過闖關(guān)學(xué)習(xí)方式增加學(xué)習(xí)的趣味性、互動性;（2）對部分展出內(nèi)容進(jìn)行三維建模，動畫模擬，配以圖文或者音、視頻介紹增加知識點(diǎn)的深度和廣度;（3）學(xué)習(xí)者可打破時(shí)間和空間的限制，在互聯(lián)網(wǎng)的幫助下通過手機(jī)、電腦可隨時(shí)隨地登錄虛擬平臺進(jìn)行學(xué)習(xí);（4）系統(tǒng)提供二次編輯功能，教師可以自主更新展品，實(shí)現(xiàn)場館的可持續(xù)性發(fā)展;（5）支持AR功能拓展，可通過手機(jī)等終端設(shè)備掃描設(shè)備或?qū)嶒?yàn)的圖片，自動呈現(xiàn)出相應(yīng)的三維仿真實(shí)驗(yàn)動畫，進(jìn)行學(xué)習(xí)。

1.工程與工程意識展區(qū)

實(shí)體展館中工程與工程意識館和序廳融為一體，主要介紹工程的概念及各行業(yè)典型工程、創(chuàng)新與工程、工程倫理、7S管理。通過圖片及工程浮雕場景模擬告誡廣大受眾，工程能給人類帶來美好，也會導(dǎo)致巨大的災(zāi)難，工程師需要?jiǎng)?chuàng)新的意識、扎實(shí)的理論、工匠的精神、規(guī)范的行為，更需要高尚的職業(yè)道德。通過學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者形成正確和較完整清晰的工程整體意識并與單一的工程科技區(qū)分開來。虛擬展廳在此基礎(chǔ)上增加生動形象的動畫、視頻等進(jìn)行更多的案例介紹，學(xué)習(xí)過程中會自動彈出對應(yīng)的相關(guān)知識題目來測試學(xué)生的知識掌握程度，如果學(xué)生選擇結(jié)果正確，則繼續(xù)往下觀看學(xué)習(xí);如選擇結(jié)果錯(cuò)誤，則案例自動關(guān)閉，學(xué)生需再從頭觀看學(xué)習(xí)。此部分展區(qū)包含工程對可持續(xù)發(fā)展和社會環(huán)境的重大影響以及工程倫理與職業(yè)道德。

2.機(jī)械工程展區(qū)

實(shí)體展館中以時(shí)間長廊的形式介紹從石器時(shí)代到機(jī)電一體化時(shí)代的機(jī)械發(fā)展史，并展望未來機(jī)械，展示常見機(jī)械加工方式、機(jī)加工工具和機(jī)加工作品、學(xué)生工程訓(xùn)練競賽作品以及現(xiàn)代化智能化生產(chǎn)方式。虛擬展館在實(shí)體館的基礎(chǔ)上增加了部分機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維動態(tài)模擬、工具庫、機(jī)械加工視頻、部分機(jī)械加工模擬操作及機(jī)械工程的社會效用補(bǔ)充，對實(shí)體展館進(jìn)行更加深入和專業(yè)的擴(kuò)展，解決了實(shí)體展館的空間不足問題。圍繞某一個(gè)工程案例發(fā)展，例如蒸汽機(jī)的發(fā)展歷程，把其過程中涉及的“故事”在縱向上進(jìn)行深入挖掘、在橫向上擴(kuò)大知識范圍。通過“三維+動畫+圖片+文字”的形式把其過程整體、立體地呈現(xiàn)出來。虛實(shí)結(jié)合的機(jī)械工程展讓來訪者對機(jī)械工程及其包含的科技及社會效應(yīng)形成比較清晰的認(rèn)知。

3.光電工程展區(qū)

實(shí)體展館中以照明燈具演化史為依托展示光電文化及歷史，以光信息的存儲和光纖通訊為主介紹光科技的應(yīng)用，以LED和現(xiàn)代照明技術(shù)介紹現(xiàn)代光電產(chǎn)業(yè)，以激光加工介紹光在現(xiàn)代加工技術(shù)中的應(yīng)用。虛擬光電館中將光的工作原理進(jìn)行了更加細(xì)致和立體的動態(tài)模擬，可以讓我們更加準(zhǔn)確地認(rèn)知光及其使用原理，增加電氣器件展柜、激光雕刻機(jī)三維模型，展示電氣器件和激光雕刻機(jī)的三維結(jié)構(gòu)。

4.材料工程館

介紹從石器時(shí)代到現(xiàn)代材料的發(fā)展歷史;對常見材料如有機(jī)高分子材料、金屬材料、非金屬材料進(jìn)行大量的標(biāo)本展出;材料制備展區(qū)主要以圖片形式展示從沙子到CPU的制作過程和粉末冶金材料的制備;用圖片和實(shí)體標(biāo)本展出新型材料如超導(dǎo)材料、納米材料及記憶合金材料的使用范圍及適用行業(yè)。虛擬展館中用大量三維動畫展示不同時(shí)期的材料制作過程，三維模型展示新材料如納米材料、超導(dǎo)材料、智能材料、復(fù)合材料，讓學(xué)習(xí)者更輕松地了解材料的發(fā)展歷史及材料發(fā)展新趨勢。

5.車輛工程館

實(shí)體展館展出世界汽車發(fā)展史、中國汽車發(fā)展史及汽車品牌，以“別克”普通家用汽車的半解剖結(jié)構(gòu)及汽車主要零部件的半解剖對汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致分析。廈門理工學(xué)院的Amoy賽車俱樂部是學(xué)校的一張名片，這里展示了賽車俱樂部的發(fā)展歷史、競賽成果、學(xué)生制作賽車的過程以及學(xué)生賽車實(shí)體展示。

6.實(shí)景體驗(yàn)區(qū)（VR、3D打印、激光雕刻與切割、柔性生產(chǎn)線、工業(yè)機(jī)器人體驗(yàn)區(qū)）

實(shí)景體驗(yàn)區(qū)為學(xué)習(xí)者親自動手操作體驗(yàn)場所，柔性生產(chǎn)線和工業(yè)機(jī)器人為校企合作項(xiàng)目，均可同時(shí)容納15人進(jìn)行操作體驗(yàn)，3D打印體驗(yàn)區(qū)可同時(shí)容納30人建模打印，激光雕刻與切割體驗(yàn)區(qū)可同時(shí)容納10人上機(jī)操作，VR體驗(yàn)區(qū)可進(jìn)行整個(gè)工程訓(xùn)練中心所有加工場所的場景漫游和模擬操作，可同時(shí)容納3人同時(shí)進(jìn)行操作體驗(yàn)。

7.新增虛擬展館（建筑工程館、航天館）

虛擬的建筑工程館中展示各種有名的公共建筑和民用建筑的三維結(jié)構(gòu)，如金字塔、孔廟、王家大院等，學(xué)習(xí)者可通過點(diǎn)擊（選擇）圖片或名稱的方式進(jìn)行切換觀看。虛擬航天館以虛擬三維宇宙星空為背景展示各類航天設(shè)備三維模型，如神舟飛船系列、航天飛機(jī)、火箭等。

（二）虛實(shí)結(jié)合工程認(rèn)知平臺的運(yùn)營

廈門理工學(xué)院的工程認(rèn)知平臺由廈門理工學(xué)院教務(wù)處負(fù)責(zé)指導(dǎo)和監(jiān)督，現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心負(fù)責(zé)日常管理和運(yùn)營工作，專業(yè)的設(shè)計(jì)施工單位負(fù)責(zé)建設(shè)，現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心和學(xué)校信息中心協(xié)作進(jìn)行虛擬展館的系統(tǒng)維護(hù)及軟件安全工作。

1.平臺建設(shè)

實(shí)體展館的展出內(nèi)容是結(jié)合學(xué)校學(xué)科建設(shè)、校園文化建設(shè)，由現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心全體教師編寫，各學(xué)科專業(yè)負(fù)責(zé)人從旁協(xié)助指導(dǎo)完成，展示方式的設(shè)計(jì)和施工分別招標(biāo)并由不同的中標(biāo)單位完成;虛擬平臺的建設(shè)是在實(shí)體展館的基礎(chǔ)上結(jié)合學(xué)科特色經(jīng)專家論證后由專業(yè)的虛擬仿真教育軟件制作公司中標(biāo)完成。

2.開放情況

廈門理工學(xué)院工程認(rèn)知教育平臺實(shí)行免費(fèi)開放。實(shí)體展館開放時(shí)間為周一至周日上午8：20-11：40，下午2：20-5：00，上課期間校內(nèi)學(xué)生按照班級課表進(jìn)入學(xué)習(xí)，其他時(shí)間對校內(nèi)外人員的開放采取預(yù)約開放，一般通過電話或者QQ等方式提前3天預(yù)約即可。虛擬展館為24小時(shí)線上開放。

3.經(jīng)費(fèi)保障

工程認(rèn)知平臺屬于學(xué)校全額出資的公益性教育平臺，實(shí)體展館和虛擬展館是由國家財(cái)政專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)投資建設(shè)。持續(xù)建設(shè)和后期運(yùn)營經(jīng)費(fèi)由廈門市財(cái)政和教育部出資，廈門市科普基地會按照對外接待情況給予一定的資金補(bǔ)助。

4.展品來源

展館內(nèi)的展品基本來源于五種渠道：對外采購、教師制作、學(xué)生課內(nèi)作品、學(xué)生學(xué)科競賽作品、合作企業(yè)捐贈。

5.教育方式

工程認(rèn)知平臺的參觀學(xué)習(xí)交流對象有大中小學(xué)生、教師、企業(yè)人員、社區(qū)群眾，全部免費(fèi)對外開放。有三種教育模式：（1）校內(nèi)外人員登錄虛擬展館進(jìn)行線上參觀學(xué)習(xí)和交流;（2）教師按照課程安排根據(jù)學(xué)生們的專業(yè)需求及學(xué)習(xí)情況開展實(shí)地教學(xué);（3）由講解員結(jié)合各個(gè)展廳的特點(diǎn)和展品內(nèi)容等對參觀者進(jìn)行工程文化介紹和工程知識的普及。

6.管理機(jī)制

工程認(rèn)知平臺由現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心安排專職教師進(jìn)行日常管理、運(yùn)營維護(hù)。現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心組建30人的教師團(tuán)隊(duì)作為該平臺的指導(dǎo)教師對參觀者進(jìn)行專業(yè)知識的指導(dǎo)。同時(shí)，組建一支大約15人的大學(xué)志愿者團(tuán)隊(duì)經(jīng)過系統(tǒng)培訓(xùn)和考核后在實(shí)體展館中開展義務(wù)講解和志愿服務(wù)。專業(yè)教師負(fù)責(zé)虛擬平臺運(yùn)行，完成系統(tǒng)維護(hù)、學(xué)習(xí)情況統(tǒng)計(jì)、線上答疑、各方反饋信息收集等工作。

（三）工作成效

通過工程教育文化建設(shè)激發(fā)教育者與未來工程師群體的質(zhì)量意識與職業(yè)責(zé)任，從而將工程文化內(nèi)涵內(nèi)化為自身的價(jià)值追求與職業(yè)準(zhǔn)則，以有效推進(jìn)工程教育內(nèi)涵式高質(zhì)量發(fā)展。

該教育平臺充分發(fā)揮學(xué)校服務(wù)社會的職能，讓來自校外的參觀者接受工程文化和工程認(rèn)知教育。工程認(rèn)知與工程文化實(shí)體館開放2年多來，累計(jì)接待校內(nèi)外參觀者超過20000人次，接待校外師生參觀交流團(tuán)體70多批次。2018年10月，“工程認(rèn)知與工程文化館”成為廈門市科普教育基地，免費(fèi)接待中小學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)超500人次。虛擬展館自建成以來，接待校內(nèi)外訪客1500余人次。

三、結(jié)語

虛擬展館和實(shí)體展館的建設(shè)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢互補(bǔ)：實(shí)體展館提供現(xiàn)實(shí)接觸，直觀認(rèn)知，實(shí)操體驗(yàn);虛擬展館不僅解決了時(shí)間和空間的限制問題，達(dá)到與時(shí)俱進(jìn)、降低建設(shè)成本、擴(kuò)大教育對象的目的。虛實(shí)結(jié)合的工程認(rèn)知平臺建設(shè)應(yīng)該緊跟學(xué)校人才培養(yǎng)目標(biāo)，與時(shí)俱進(jìn);虛實(shí)結(jié)合的工程認(rèn)知的教育方式需要進(jìn)一步探索，以轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，充分利用平臺資源，做好課內(nèi)外結(jié)合，切實(shí)提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

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◎編輯 趙瑞峰